有色冶煉煙氣脫硝技術存在問題及對策

李 晶

（河南省濮陽市生態環境局清豐分局，河南 濮陽 457399）

隨著我國有色冶煉規模的快速發展，有色冶煉煙氣污染物排放成為人們日益關注的焦點。同時，國家環保要求和監管力度日趨嚴格，各地不斷要求有色冶煉實現超低排放，加大對環保指標超標的處罰力度。原環保部印發《關于京津冀大氣污染傳輸通道城市執行大氣污染物特別排放限值的公告》，決定在京津冀大氣污染傳輸通道城市執行大氣污染物特別排放限值。公告中強調，“2+26”城市現有企業應采取有效措施，在規定期限內達到大氣污染物特別排放限值。逾期仍達不到的，責令改正或限制生產、停產整治，并處以罰款；情節嚴重的，報經有批準權的人民政府批準，責令停業、關閉[1]。對于國家排放標準中已規定大氣污染物特別排放限值的行業以及鍋爐，火電、鋼鐵、石化、化工、有色（不含氧化鋁）、水泥行業現有企業以及在用鍋爐，自2018年10月1日起，執行SO2、NOx、顆粒物和VOCs特別排放限值，其中NOx的特別排放限值為100mg/m3。

1 煙氣脫硝技術介紹

目前，有色煙氣治理所采用的脫硝工藝，主要有選擇性非催化還原法（SNCR）、選擇性催化還原法（SCR）、臭氧氧化吸收法、高分子干粉脫硝法等。

1.1 SNCR脫硝工藝原理

選擇性非催化還原法（SNCR）脫除NOx技術是把還原劑(如氨水、液氨或者尿素等)噴入爐內溫度合適區域，與NOx發生還原反應生成N2和H2O。SNCR技術由于不使用催化劑，所以反應需要較高的溫度，溫度窗口一般需要嚴格控制在850℃～1100℃之間。當溫度高于溫度窗范圍時，則會造成氨氧化生成NOx，導致脫硝率降低，NOx濃度甚至會升高；如果反應溫度低于溫度窗口范圍，氨反應不完全，未反應的氨隨煙氣排出容易造成“氨逃逸”。因此溫度窗口對于SNCR技術來說是最主要的影響因素[2]。

當尿素做還原劑時，在爐內高溫工況下，尿素溶液與NOx發生如下反應：

當氨水做還原劑時，在高溫下，氨與NOx發生如下反應：

但當溫度高于1100℃時，氨會與O2發生反應，產生NO：

SNCR法脫硝率相對較低，一般為30%～55%，可作為一級脫硝與其他工藝結合使用。SNCR廣泛應用于垃圾焚燒爐。循環流化床鍋爐、電力等煙氣脫硝。

1.2 選擇性催化還原法SCR

SCR法是指在催化劑作用下，采用尿素、氨水或液氨作為還原劑，在300℃～420℃的范圍內將煙氣中的NOx還原為N2，脫硝效率一般在70%～90%。

在SCR中使用的催化劑大多以TiO2為載體，以V2O5或V2O5-MoO3或V2O5-WO3為活性成分，制成波紋式、蜂窩式或板式三種類型。其中TiO2具有較高的活性和抗SO2性能；V2O5是最重要的活性成分，具有較高的脫硝效率，但同時也會促進SO2向SO2的轉化[3]。催化劑可分為高溫催化劑、中溫催化劑和低溫催化劑，不同的催化劑要求的反應溫度不同。

1.3 臭氧氧化吸收脫硝法

臭氧具有極強的氧化性，其氧化性比高錳酸鉀、雙氧水、次氯酸鈉等氧化物都強，可在短時間內將煙氣中的NOx氧化成高價態產物NO2甚至是N2O5，其反應可在＜1S內完成。高價態的NO2或N2O5水溶性較高，以堿性溶液（如氫氧化鈉溶液）吸收后即可脫除，故臭氧脫硝具有反應快，脫硝效率高的特點。但是臭氧氧化吸收脫硝法的缺點是會產生硝酸鹽或亞硝酸鹽廢水，對后續水處理增加難度。

其主要反應式為：

1.4 高分子脫硝法

其全稱為高分子非催化還原脫硝法，簡稱PNCR法。PNCR法是一種新型脫硝工藝技術，經過近幾年不斷發展已經進入成熟應用階段。它是一種利用高分子脫硝劑，不使用催化劑情況下在高溫作用下與煙氣中的NOx進行化學反應，將其除去并轉化為N2和H2O的脫硝工藝。

表1 有色冶煉煙氣脫硝技術對比

2 PNCR工藝流程及原理

與傳統的SNCR（選擇性非催化還原法）及SCR（選擇性催化還原法）相比，PNCR法具有脫硝效率高、工藝簡單、初投資少且運行成本低等優點，在生產實踐中得到越來越多的應用。

PNCR脫硝技術的主要成分為高分子干粉脫硝劑。脫硝劑一般是粉末顆粒狀固體，主要由高分子還原性材料組成，如尿素等，此外還含有活化劑、緩釋劑等輔助成分，通過羅茨風機氣力輸送將脫硝劑噴入煙氣中，在合適的溫度窗口下脫硝劑受熱分解，產生的NH3與煙氣中的NOx充分混合反應，生成無害的N2和H2O。整個脫硝過程反應速度快，不產生二次污染，主要反應方程式為：

高分子還原劑是一種以具有高效還原活性高分子材料為主要組成成分的固態粉末顆粒狀混合物。其中含有的主要組分有：高分子脫硝劑（CnHmNs）、分散劑、乳化劑、滲透劑、活化劑和緩釋劑，以及由氧化鎂、氧化鋁、氧化硅、氧化鐵、氧化鈣、氧化鋇、氧化錳和稀土元素等化合物組成的催化劑及其助劑。

3 PNCR技術特點

3.1 可靠性高

采用矢量稱重和脫硝劑自動調節系統，可與CEMS聯鎖精確調節脫硝劑用量；脫硝劑料倉配套了混料模塊，內有攪拌刮料器，防止結塊堵料；輸送模塊采用一用一備，確保系統運行安全可靠；噴槍采用獨特的氣力輸送防堵保護系統，運行安全便捷[4]。

3.2 脫硝效率高

采用SNCR干粉脫硝劑，穿透力強，噴射距離遠，其脫硝率比可達80%以上。

3.3 安全性高

PNCR干粉脫硝劑，具有使用安全、貯運穩定、無腐蝕的特點，并且對人體無害。

3.4 系統投資小

PNCR干粉脫硝系統，投資費用低，僅為SCR投資的約十分之一。

3.5 高效節能

PNCR干粉脫硝劑噴射量少，效率高、無熱損失，對爐堂溫度無影響。

4 PNCR脫硝設備組成

圖1 高分子脫硝系統示意圖

4.1 負壓上料和存儲系統

通過負壓管道將PNCR脫硝劑從料包直接吸入料倉內，極大地減少人工操作時間及勞動強度，料倉配備有稱重系統和料位感應系統，料倉還設置了除塵器，可減少粉塵污染。

4.2 輸送系統

輸送系統主要由羅茨風機和管道組成，羅茨風機采用變頻電機，為整個系統系統提供合適的風量和風壓。

4.3 下料系統

下料采用變頻電機控制卸料器，可與鍋爐和煙氣在線系統（CEMS）連接，根據煙氣的NOx排放濃度，做到實時跟蹤調整脫硝劑下料量，確保達標排放，且能節約脫硝劑成本。

圖2 PNCR控制系統流程圖

4.4 噴射系統

噴槍是噴射系統的核心組件，通過調節下料器的變頻器頻率控制脫硝劑的流量。噴槍采用耐磨損、耐高溫、耐腐蝕且容易維護的材料制作而成，霧化效果良好，維護簡單，霧化面積根據流暢模擬和各參數進行設計[5]。

4.5 控制系統

PNCR系統采用PLC自動化控制，可實現監控、操作等功能。控制系統與煙氣在線監測系統連接，根據反饋信號精準控制脫硝劑給料量，實現經濟性和環保性良好的統一。

5 應用實例

河南某鉛冶煉企業煙化爐工藝煙氣的煙氣量約為100000Nm3/h，NOx濃度約為1000mg/m3。

工藝煙氣在爐體出煙口經直升煙道進入余熱鍋爐，然后進入電除塵器，除塵后進入濕法處理系統。由于煙氣NOx濃度較高，采用兩級脫硝工藝進行治理，一級脫硝采用PNCR脫硝工藝。在直升煙道合適溫度范圍安裝兩層PNCR噴槍，噴槍分布見圖3。

圖3 PNCR噴槍安裝分布圖

該系統設備主要包括羅茨風機、旋轉給料、螺桿分配、計量稱重裝置、變頻控制給料、氣料分配器、氣料噴射器、噴槍及管路、集中控制模塊等。

（1）固體粉末狀脫硝劑儲存在貯倉中，通過給料機經噴射風機輸送由噴槍到爐膛煙氣中，以去除煙氣中的NOx。

（2）設置真空自動加料裝置，同時保留倉頂人工投料（不需要考慮相關吊裝電動葫蘆裝置）。

（3）在貯倉旋轉給料機的中間安裝插板閥，以便在檢查和維修時切斷給料。

（4）貯倉頂部安裝脈沖噴吹式袋式除塵器。在貯倉進料期間，貯倉中的空氣通過濾袋排出，以免給貯倉加壓。倉頂袋式除塵器不但在貯倉接進料的過程中運行，而且在運行期間定期間隔運行。

（5）貯倉底部設破供流化裝置和振打電機，下設2個旋轉給料機，給料機對應一個緩沖料斗，經螺桿給料機分配至輸料管線，螺桿給料機采用變頻電機控制，可以調節物料出口流量。

（6）從噴射風機來的空氣經定料給料裝置將排出的固體粉末狀脫硝劑送至噴槍，繼而噴入膛煙氣中，以去除煙氣中的NOx。

（7）噴射風機設計為一用一備。

該PNCR脫硝系統投入運行后，通過運行效果分析，可以達到NOx降低至200mg/m3以下，脫硝效率在80%以上。一級PNCR脫硝極大的降低了煙氣中的NOx，為后續二級脫硝提供了便利條件。

6 結語

有色冶煉煙氣治理采用脫硝工藝時可根據實際情況選擇不同的脫硝方法。

針對NOx質量濃度較高的情況，采用SNCR等脫硝方法可能無法達到現行脫硝標準，采用效率較高的PNCR脫硝技術，能實現節能減排的要求。高分子脫硝技術系統簡單易操作，投資成本較低，經濟效益和環保效益明顯，不僅符合國家環保要求，而且工藝實施運營成本相對較低，為企業減輕了負擔。